精確可編程的變形,，共擠出4D打印(CE-4DP)策略，華中科大&吉林大學(xué)團隊成果

形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療和機械工程等方面有廣泛的應(yīng)用前景,。然而，大部分形狀記憶聚合物編程過程中需要加熱，例如水浴和油浴,，然而這種環(huán)境間接加熱方法加熱速率和溫度有限,，尤其對于高性能材料這限制了賦形的條件和精確程度。華中科技大學(xué)臧劍鋒教授團隊與吉林大學(xué)張志輝教授團隊合作,，報告了一種共擠出4D打印(CE-4DP)策略,，該策略將連續(xù)的金屬纖維集成到熱塑性形狀記憶聚合物中，在聚合物基體中建立電加熱路徑直接加熱,，使得復(fù)合材料的升溫速度增加了70倍,。提出了分析模型和可打印相圖來解釋CE-4DP的機理和復(fù)合打印質(zhì)量控制方法，實現(xiàn)了形狀記憶聚合物復(fù)合材料有選擇地,、順序地加熱,，從而產(chǎn)生精確和可編程的變形，并將其用于形狀記憶變形的自感知,。

在CE-4DP過程中,，連續(xù)金屬纖維（CMF）在進料口逐漸被熔融聚合物包圍，并受到向下的摩擦力,。當聚合物在基板上固化時,，纖維的末端受到約束并固定，獲得與噴嘴相同的打印速度,，最終形成帶有CMF的聚合物路徑層(CMF@polymer path),。研究選用Cr20Ni80纖維和Tg為143℃的高性能PEEK為例來演示CE-4DP策略（圖1）。

△圖1 CE-4DP形狀記憶聚合物的原理和方法,。

CE-4DP打印可分為有序,、準有序和無序三個級別。在有序模式下,，CMF纖維并不與打印路徑完全重合,，而是在兩端產(chǎn)生了滑移。因此對不同打印參數(shù)（打印間距和打印速度）下的滑移經(jīng)行了分析,，提高打印速度(從37.5 mm/min到300 mm/min)會使滑移距離增加1.7倍左右 ,，最終構(gòu)建了定量的CE-4DP可打印相圖(圖2)。

△圖2 CE-4DP的可打印相圖和打印性能分析

通過CE-4DP制備了復(fù)合手和百葉窗結(jié)構(gòu),。對纖維依次通電,，可以實現(xiàn)手指按順序順序恢復(fù)，或者同時施加不同大小的電路可以實現(xiàn)手指不同速度的回復(fù),。通過對百葉窗結(jié)構(gòu)局部加熱,，可以實現(xiàn)區(qū)域的形狀記憶變形。這在油浴或烘箱中是無法實現(xiàn)的,，因為樣品會整體加熱,。

△圖3 CMF@PEEK復(fù)合材料的選擇性形狀記憶變形和精確控制。

通過CE-4DP制備了20 mm×5 mm的復(fù)合CMF@PEEK樣品,，對彎曲變形進行自感知,。得到纖維電阻變化與樣品恢復(fù)角度之間的映射關(guān)系（圖4）,。

△圖4 CMF@PEEK復(fù)合材料形狀記憶變形的自感知性能。

成果以“Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous
metallic fibers for selective deformation”為題發(fā)表于Composites Science and Technology,。

論文信息：
Zhou Y, Yang Y, Jian A, et al. Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous metallic fibers for selective deformation[J]. Composites Science and Technology, 2022: 109603.

論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1fJmlyZzKyV3x